一种有向固定通信拓扑下胸鳍拍动式机器鱼编队控制方法

1.一种有向固定通信拓扑下胸鳍拍动式机器鱼编队控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一，构建多胸鳍拍动式机器鱼群体，设计拓扑关系图表明各机器鱼之间的信息传输关系；具体为：设机器鱼群体中机器鱼的数量为N，则拓扑关系图中共包含N个节点，节点的集合表示为 任意两个机器鱼之间的通信信息传输流向表示为ε， 将机器鱼之间的信息流建模为通信图 节点v i 的邻居为：有信息流向节点v i 的其它节点，集合定义为N i ＝{v j |(v j ,v i )∈ε}；(v i ,v j )表示节点v i 到节点v j 的信息传播流向，即节点v j 接收节点v i 的信息；如果(v j ,v i )∈ε，则邻接系数a ij ＝1；否则，a ij ＝0；将所有邻接系数组成邻接矩阵表示为A＝[a ij ] N×N ，不考虑节点自身之间的作用，即邻接矩阵的对角元素满足a ii ＝0；步骤二，基于机器鱼胸鳍与尾部的非对称性特征以及运动关系，建立单个机器鱼的运动学模型；机器鱼的运动学模型表示为：式中，I和J表示控制机器鱼胸鳍拍动的CPG单元序号，取值为1-8，对应于驱动机器鱼胸鳍拍动的舵机编号；ν I 表示序号I的CPG单元频率输出，φ I 表示序号I的CPG单元相位输出，r I 表示序号I的CPG单元振幅输出，x I 表示序号I的CPG单元偏置输出，θ I 表示序号I的CPG单元角度输出，β I 为序号I的CPG单元空间非对称系数，α I 为序号I的CPG单元时间非对称系数；T I 表示序号I的CPG单元周期，ω IJ 表示序号I单元与序号J单元间的连接权重， 表示序号I单元与序号J单元的期望相位差，R I 为机器鱼胸鳍序号I的CPG单元的期望振幅，X I 为机器鱼胸鳍序号I的CPG单元的期望偏置，k、a I 和b I 为正值常数；步骤三、根据单个机器鱼的运动学模型，采用最近邻连接方式对每个机器鱼分别构建拓扑网络，确定每个机器鱼各CPG单元间的耦合关系；构建拓扑网络时，相关参数是当前机器鱼中各CPG单元的期望相位差矩阵 和耦合权重矩阵ω；拓扑网络的期望相位差矩阵 表示为：耦合权重矩阵ω确定CPG单元的拓扑连接形式，表示为：步骤四，针对单个机器鱼S采用模糊闭环控制策略实现该机器鱼S的航向和速度的定量控制，并将航向参数和速度参数输入该机器鱼S的拓扑网络，生成该机器鱼S控制舵机的PWM信号；首先，根据当前机器鱼S中的传感器反馈实际航向，以及控制指令中心确定的期望航向，计算实际航向与期望航向的差作为航向模糊控制器的偏差输入；然后，将偏差输入通过航向模糊控制器进行查表运算，生成航向参数δ Y 的值；最后，通过航向参数转换将δ Y 转换为期望相位差，并作为当前机器鱼S拓扑网络的参数输入，经拓扑网络生成控制舵机的PWM信号；航向参数转换方程表示为：其中， 为序号I单元与序号J单元之间的期望相位差极大值，为非负数；当δ Y 小于0，机器鱼左转弯，此时随着δ Y 从0变到-1，右侧胸鳍鳍条间的期望相位差维持 不变，左侧胸鳍鳍条间的相位差由 变到 δ Y 绝对值越大，转弯速度越大半径越小；当δ Y 大于0，机器鱼右转弯，此时随着δ Y 从0变到1，左侧胸鳍鳍条间的期望相位差维持 不变，右侧胸鳍鳍条间的相位差由 变到 同理，利用相应的模糊控制器和参数转换，得到速度参数δ V 和深度参数，并输入当前机器鱼S的拓扑网络，生成控制舵机的PWM信号；速度参数转换方程表示为：其中，当δ V 小于0，表示机器鱼倒游；当δ V 大于0，表示机器鱼前游；δ V 的绝对值越大，速度绝对值越大； 为振幅系数，k T 为周期系数，T 0 为机器鱼胸鳍摆动周期；步骤五，将每个机器鱼的动力学方程转化为积分器动力学模型，利用虚拟领导者-跟随者编队跟踪算法，设计机器鱼群体在有向固定拓扑条件下的编队跟踪控制协议；编队跟踪控制协议设计流程如下：步骤501，根据机器鱼群体的拓扑关系图，设置一个虚拟领导者，所有机器鱼为跟随者，分别计算各自的积分器动力学模型；虚拟领导者到各个跟随者均具有一条有向路径，即生成树且虚拟领导者作为生成树的根节点；跟随者的积分器动力学模型表示为：其中， 是状态， 是输入，跟随者集合 B表示控制输入系数矩阵；虚拟领导者节点的积分器动力学模型表示为：步骤502，设计编队参考函数h(t)，并判断其是否满足可行性条件，即虚拟领导者节点的积分器动力学模型中反馈增益矩阵K 1 是否存在，若是，则进行步骤503；否则，说明编队参考函数h(t)不可行，重新选取编队参考函数进行判断，直至达到可行性条件；所述的可行性条件为：对 其中，跟随者的编队队形为 为第i个跟随者的期望编队；满足可行性条件时，得到的反馈增益矩阵K 1 为：K 1 ＝-μB T Pμ表示常系数，根据实际情况选取；步骤503，基于反馈增益矩阵K 1 求解线性矩阵不等式，基于正定对称矩阵P＞0，计算得到控制参数矩阵K 2 ；线性矩阵不等式(10)为：(A+BK 1 ) T P+P(A+BK 1 ) T -αPBB T P＜0        (10)得到控制参数矩阵K 2 为：K 2 ＝B T Pα为时间非对称系数；步骤504，利用反馈增益矩阵K 1 和控制参数矩阵K 2 构造编队跟踪控制协议，将控制律与单个机器鱼的运动控制方程相结合，使得单个机器鱼按照给定的虚拟领导者轨迹进行跟随编队运动；编队跟踪控制协议为：步骤六，将编队跟踪控制协议与单个机器鱼的运动学模型相结合，得到单个机器鱼的速度和位置，实现机器鱼群体运动过程中的编队队形控制。 2.根据权利要求1所述的一种有向固定通信拓扑下胸鳍拍动式机器鱼编队控制方法，其特征在于，所述的非对称性特征包括：胸鳍拍动过程中空间非对称性特征和时间非对称性特征、尾部拍动的空间和时间非对称性特征。 3.根据权利要求1所述的一种有向固定通信拓扑下胸鳍拍动式机器鱼编队控制方法，其特征在于，游动速度与所述的速度参数δ V 线性正比关系；转弯速度与所述的速度参数δ V 相关，当δ Y 不变时，δ V 越大，拍动振幅R I 和频率ν更大，单侧胸鳍产生的推力更大，从而两侧胸鳍推力形成的转弯扭矩更大；此外，转弯速度与所述的航向参数δ Y 线性关系。 4.根据权利要求1所述的一种有向固定通信拓扑下胸鳍拍动式机器鱼编队控制方法，其特征在于，所述的步骤六具体为：设机器鱼的游动环境为理想条件，建立单个机器鱼在二阶积分器形式的下的动态模型为：其中，γ i 和τ i 分别表示第i个机器鱼在二维平面下坐标系中的位置信息，θ i 表示第i个机器鱼在二维平面下的航向信息，ω i 表示转动角速度；将速度积分控制模型表示为：其中u i 为编队跟踪控制算法对应的控制输入；进一步，将速度控制项表示为：其中，q i 为中间变量；基于反馈线性化方法设计控制律为：则，单个机器鱼的编队控制算法非线性动力学可线性化为：其中， 矩阵A、B表示如下：